高速铁路32 m简支梁墩顶纵向刚度限值研究

徐 凌 雁

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

目前我国已建成和在建的铁路项目中，桥梁长度通常占线路长度的70%～80%，且桥梁地段广泛采用跨区间无缝线路。为保证无缝线路运行的安全稳定，需进行必要的轨道强度和稳定性计算。与此同时，为保证桥梁结构的受力合理，应对相应地墩台附加力进行检算。墩台制动附加力受墩顶及相邻墩顶刚度影响明显，墩顶刚度越小，桥梁所受制动力越小，钢轨制动附加力增大；而墩顶刚度增大，钢轨所受制动附加力减小，但墩顶制动力增大。因此，需确定合理的桥梁墩顶纵向刚度，以同时达到合理的钢轨和桥墩的受力[1-3]。

通常桥梁墩顶纵向刚度主要受无缝线路钢轨强度和梁轨快速位移影响。桥上无缝线路钢轨除受温度应力和动弯应力外，还受列车制动、梁体挠曲和伸缩附加应力。为保证钢轨强度，计算钢轨附加力的荷载组合为：钢轨制动力+钢轨伸缩力，钢轨制动力+钢轨挠曲力，采用两者较大值检算钢轨强度。该附加应力的最大拉应力不得超过81 MPa，最大压应力不得超过61 MPa[4]。另外，制动力作用下梁轨之间产生快速位移，引起有砟轨道道砟松散，为保证有砟轨道稳定性，梁轨之间快速位移应在4 mm以内[5]。因此，必须对墩顶纵向刚度加以限制。文章对高速铁路32 m简支梁墩顶纵向刚度限值的合理取值进行研究。

1 计算模型

轨道、桥梁、桥墩是一相互作用系统，文章建立了轨道—桥梁—桥墩一体化模型。模型中，钢轨、桥梁采用梁单元来模拟；扣件及道床纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟。模型中考虑桥梁两端一定范围的路基，以此来消除边界效应。模型建立了30孔32 m简支梁单线桥均布等跨布置(见图1)。

2 计算参数

2.1 道床纵向阻力[5]

选用有砟轨道采用Ⅲ型混凝土轨枕时单位长度道床纵向阻力，如表1所示。

表1 有砟轨道道床纵向阻力

kN/m/轨

2.2 桥梁日温差

桥梁日温差按照混凝土梁有砟轨道梁日温差取15 ℃[5]。

2.3 制动力长度

牵引(制动)力通过轮轨摩擦直接作用于轨面，当桥梁位于无缝线路固定区时，牵引(制动)力加载长度一般取400 m，钢轨黏着系数0.164[5]。

2.4 钢轨、桥梁截面参数

计算模型中所采用的钢轨断面参数[5]见表2。

表2 钢轨截面参数

桥梁跨度为32 m简支梁(取30跨计算)，其桥梁主要截面参数见表3。

表3 桥梁截面参数

3 计算结果

3.1 钢轨附加力计算

通过以上计算模型，得到了高速铁路32 m简支梁有砟轨道无缝线路钢轨最大伸缩附加力、钢轨最大制动附加力、钢轨最大伸缩附加力+最大制动附加力、钢轨最大伸缩附加力+最大挠曲附加力，见表4。

从表4中可以看出，随着墩顶刚度的增大，钢轨最大伸缩附加力增大，钢轨最大制动附加力减小，钢轨挠曲附加力增大，钢轨最大伸缩附加力+最大制动附加力减小，钢轨最大伸缩附加力+

最大挠曲附加力增大。

由计算结果可知，钢轨挠曲附加力小于钢轨制动附加力，钢轨最大附加力主要受组合伸缩附加力+制动附加力控制，钢轨附加力基本拉压力基本相当，最大钢轨附加力按61 MPa控制，桥墩顶纵向水平刚度的限值为100 kN/cm。

表4 32 m简支梁桥上钢轨附加力 MPa

3.2 稳定性计算

轨道—桥梁—桥墩一体化模型在制动荷载作用下，得到不同刚度下的梁轨快速位移，见表5。从表5可以看出，有砟轨道梁轨快速位移随墩顶纵向刚度的增大而减小。按梁轨快速位移在4 mm以内得到墩顶纵向刚度限值为210 kN/cm。

表5 有砟轨道梁轨快速位移

4 结语

基于梁轨相互作用原理，建立轨道—桥梁—桥墩一体化计算模型，对高速铁路32 m简支梁有砟轨道无缝线路的钢轨强度和稳定性进行计算分析，钢轨强度得到的墩顶限值受钢轨伸缩附加力+钢轨制动附加力控制，稳定性计算墩顶的纵向刚度限值受梁轨快速位移控制；通过计算可知，有砟轨道梁墩顶的纵向水平刚度的限值主要受梁轨快速位移控制。高速铁路32 m简支梁有砟轨道桥墩顶纵向刚度限值为210 kN/cm时，能够同时满足钢轨强度和稳定性计算条件。